單相橋式半控整流電路(電阻負載帶續(xù)流二極管反電動勢)

1、1 課程設計的目的與要求1 1 引言本方面有很大潛電力電子技術又稱為功率電子技術，他是用于電能變換和功率控制的電子技術。電力電子技術是弱電控制強電的方法和手段，是當代高新技術發(fā)展的重要內容，也是支持電力系統(tǒng)技術革命發(fā)展的重要基礎，并節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約提高生產(chǎn)效能的重要技術手段。微電子技術、計算機技術以及大功率電力電子技術的快速發(fā)展，極大地推動了電工技術、電氣工程和電力系統(tǒng)的技術發(fā)展和進步。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途電力電子器件是電力電子技術發(fā)展的基礎。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導體變流技術從電子學中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術這一專門的學科。而二十世紀九十年代各種全控型大功率半導體器

2、件的發(fā)明，進一步拓展了電力電子技術應用和覆蓋的領域和范圍。電力電子技術的應用領域已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個部門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機充電器，電力電子技術隨處可見。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用中也有了長足的發(fā)展，電力電子裝置與傳統(tǒng)的機械式開關操作設備相比有動態(tài)響應快，控制方便，靈活的特點，能夠顯著地改善電力系統(tǒng)的特性，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定、降低運行風險、節(jié)約運行成力。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途1.2 課程設計的目的“電力電子技術”課程設計是在教學及實驗基礎上， 對課程所學理論

3、知識的深化和提高。因此，通過電力電子計術的課程設計達到以下幾個目的：資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途1）培養(yǎng)綜合應用所學知識，并設計出具有電壓可調功能的直流電源系統(tǒng)的能力；2）較全面地鞏固和應用本課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌整流電路設計的基本方法。3）培養(yǎng)獨立思考、獨立收集資料、獨立設計的能力；4）培養(yǎng)分析、總結及撰寫技術報告的能力。1.3 課程設計要求設計條件：1.電源電壓：交流100V/50Hz2. 輸出功率：500W3. 觸發(fā)角 a =60。4. 反電勢、電阻負載、帶續(xù)流二極管E=75V根據(jù)課程設計題目和設計條件，說明主電路的工作原理、計算選擇元器件參數(shù)。 設計內容包括：1.整

4、流變壓器額定參數(shù)的計算 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2. 晶閘管電流、電壓額定參數(shù)選擇3. 觸發(fā)電路的設計2課程設計方案選擇2.1 整流電路單相相控整流電路可分為單相半波、 單相全波和單相橋式相控流電路，它 們所連接的負載性質不同就會有不同的特點。而負載性質又分為帶電阻性負 載、電阻-電感性負載和反電動勢負載時的工作情況。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途單相橋式半控整流電路（電阻負載 反電動勢）電路簡圖如下：該電路在實際應用中需加設續(xù)流二極管 V®,以避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。實 際運行中，若沒有續(xù)流二極管，則當 a突然增大至180o或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā) 生一個晶閘管持續(xù)導通兒兩個二

5、極管輪流導通的情況，這使Ud成為正弦半波，即半軸期U為正弦，另外半周期Ud為零，其平均值保持恒定，相當于單相半波不可控 整流電路時的波形，稱為失控。例如當 VT導通時切斷觸發(fā)電路，則當U2變負時， 由于電感作用，負載電流由 VT和VD續(xù)流，當U2又為正時，因VT是導通的，U2 又經(jīng)VT1和VD4向負載供電，出現(xiàn)失控現(xiàn)象。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途有續(xù)流二極管VQ時，續(xù)流過程由VQ完成，在續(xù)流階段品閘管關斷，這就避 免了某一個晶閘管持續(xù)導通從而導致失控的現(xiàn)象。同時續(xù)流期間導電回路只有一個 壓降管，少了一個壓降管，有利于降低損耗。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途2.2 元器件的選擇12.2.1

6、 晶閘管Silicon Controlled Rectifier-晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（SCR,開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代 ；20世紀80年代以來， 開始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以 被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域，成為功率低頻（200Hz 以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指品閘管的一種基本類型-普通品閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途1）品閘管的結構品閘管是大功率器件，工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。引出陽極A陰極K和門極（或稱柵極）G三個聯(lián)

7、接端。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途內部結構：四層三個結如圖2.22）品閘管的工作原理圖晶閘管由四層半導體（R、N、B、NO組成，形成三個結Ji （PN）、J2 （NP2）、 J3 （BNO,并分別從Pi、P2、N引入A、G K三個電極，如圖1.2（左）所示。由于具 有擴散工藝，具有三結四層結構的普通品閘管可以等效成如圖 2.3 （右）所示的兩 個晶閘管Ti （P1-N1-P2）和（N1-P2-N2）組成的等效電路。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途圖2.2晶閘管的外形、內部結構、電氣圖形符號和模塊外形a）晶閘管外形b）內部結構c）電氣圖形符號d）模塊外形圖2.3晶閘管的內部結構和等效電路3)品

8、閘管的門極觸發(fā)條件(1):晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通；(2):晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下品閘管才能導通；(3):品閘管一旦導通門極就失去控制作用；(4):要使晶閘管關斷，只能使其電流小到零一下。品閘管的驅動過程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流Ig的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于能過門極只能控制其開通，不能控制其關斷， 品閘管才被稱為半控型器件。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。2.2.2可關斷晶閘管可關斷晶閘管簡稱GTO可關斷晶閘管的工作原理圖1.3 GTO的結構、等效電路和圖形符號GT

9、O勺導通機理與SC也完全一樣的。GTO一旦導通之后，門極信號是可以撤 除的，在制作時采用特殊的工藝使管子導通后處于臨界飽和，而不像普通品閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關斷。GTO 在關斷機理上與SC&不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流(即抽出飽和導通 時儲存的大量載流子)，強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用 途3元器件和電路參數(shù)計算23.1 品閘管的基本特性3.1.1 .靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關系。這里介紹陽極伏安特性和門極伏安特性。(1)陽極伏安特性品閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰

10、極之間的電壓Uk與陽極電流ia之間的關系曲線，如圖5-1所示。 資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途f jE向/導而圖5.1晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)；負阻區(qū)；正向導通低阻區(qū)；反向阻斷高阻區(qū)陽極伏安特性可以劃分為兩個區(qū)域：第I象限為正向特性區(qū)，第田象限為反向特性區(qū)。第I象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向導通狀態(tài)。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途(2)門極伏安特性品閘管的門極與陰極間存在著一個 PN結J3,門極伏安特性就是指這個PN結上 正向門極電壓U與門極電流Ig間的關系。由于這個結的伏安特性很分散，無法找 到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之 間的一片

11、區(qū)域來代表所有元件的門極伏安特性，如圖5-2陰影區(qū)域所示。資料個人收集 整理，勿做商業(yè)用途圖5.2晶閘管門極伏安特性3.1.2 .動態(tài)特性品閘管常應用于低頻的相控電力電子電路時，有時也在高頻電力電子電路中得到應用，如逆變器等。在高頻電路應用時，需要嚴格地考慮品閘管的開關特性，即 開通特,性和關斷特,性。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途(1)開通特性品閘管由截止轉為導通的過程為開通過程。圖1-12給出了品閘管的開關特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于晶閘管內部正反饋過程及外電路電感的影響，陽極電流的增長需要一定的時間。從突加門極電流時刻到陽極電流上升到穩(wěn)定值It的10慚需的時間

12、稱為延遲時間td,而陽極電流從10%T上升 到90%T所需的時間稱為上升時間tr,延遲時間與上升時間之和為品閘管的開通時 問tgt=t d+tr,普通品閘管的延遲時間為0.51.5 NS,上升時間為0.53pS。延 遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途圖6.7品閘管的開關特性(2)關斷特性通常采用外加反壓的方法將已導通的品閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔 助換流電路來提供。要關斷已導通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關斷，就是要使 各層區(qū)內載流子消失，使元件對正向陽極電壓恢復阻斷能力。突加反向陽極電壓后， 由于外電

13、路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會有一個過程，當陽極電流過零， 也會出現(xiàn)反向恢復電流，反向電流達最大值Irm后，再朝反方向快速衰減接近于零，此時晶閘管恢復對反向電壓的阻斷能力。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途3.2品閘管基本參數(shù)3.2.1 晶閘管的主要參數(shù)說明：1、額定電壓UTn通常取UDr1口 Ur用較小的，再取靠近標準的電壓等級作為品閘管型的額定電 壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的 23倍，以保證電路的工 作安全。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途品閘官的額止電壓U方='min U drm , U rrmUTn = (2-3) UTmUTm：工作電路中加在管子上的最大瞬

14、時電壓2、額定電流It(av)It(AV)又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40°和規(guī)定的冷卻條件下，元 件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于 170°的電路中，結溫不超過額定結 溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等 級即為品閘管的額定電流。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途iTn :額定電流有效值，根據(jù)管子的IT(AV)換算出，I T(AV)、I TM I Tn二者之間的關系：ITn = 1/2二 ° (Imsin t)2d( t) = Im/2 =0.51TM (3-2-1)IT(AV) =1/2二 ° Im

15、sin -td( t) = Im/ 累=0.3181TM(3-2-2)3、維持電流IH維持電流是指品閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結溫有關，結溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關斷。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途4、掣住電流Il品閘管剛從阻斷狀態(tài)轉變?yōu)閷顟B(tài)并撤除門極觸發(fā)信號，此時要維持元件 導通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。一般掣住電流比維持電流大(24)倍。5、通態(tài)平土§管壓降UT(av)o指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導通的正弦波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值，一般在 0.41.2V。6、門極觸發(fā)電流1g。在常溫下，陽極電壓為6V時，使晶

16、閘管能完全導通所用 的門極電流，一般為毫安級。7、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結溫和門極開路的情況下，不會導致 品閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的最大正向電壓上升率。一般為每微秒幾十伏。8、通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，品閘管能承受的最大通態(tài)電 流上升率。若晶閘管導通時電流上升太快，則會在晶閘管剛開通時，有很大的電流 集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而損壞晶閘管。資料個人收集整理，勿做商 業(yè)用途9、波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，具有效值I與平均值Id之比稱為該波形的 波形系數(shù)，用Kf表示。K f -(3-2-3)I d額定狀態(tài)下，晶閘管的電流波形系數(shù)ITna c-7K

17、f = = =1.57IT(AV ) 24單相橋式半控主電路的設計44.1 電路的結構與工作原理4.1.1 電路結構圖8半控整流電阻負載加續(xù)流二極管原理圖4.1.2 工作原理當U2正半周時，在wt=a時刻，觸發(fā)晶閘管VTi使其導通，電流從電源U2正 端一VTiRVD4U2負載向負載供電。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途U2過零變負時，負載電流經(jīng)續(xù)流二極管，使橋路直流輸出只有1V左右的壓降， 迫使品閘管與二極管用聯(lián)電路中的電流減小到維持電流以下， 使品閘管關斷，不會 出現(xiàn)失控現(xiàn)象。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途在U2負半周wt=Tt + a時刻，觸發(fā)VT3使其導通，則VTi承受反壓而關斷，U2經(jīng)V

18、T3-RVD2U2端向負載供電。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途U2過零變正時，負載電流經(jīng)續(xù)流二極管，使橋路直流輸出只有 1V左右的壓降，迫 使品閘管與二極管用聯(lián)電路中的電流減小到維持電流以下， 使品閘管關斷，重復以 上過程。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途4.2 基本數(shù)量關系a.直流輸出電壓平均值1 cos： Ud = 0.9U 2=67.5V2 一 a 一 一I .I d =0.46A,2 二P=I2Rb電阻值:P 八R 2 =9.1125，I 2c.流經(jīng)品閘管和整流管的平均電流IdT YdJI - CLId =0.838A2d.經(jīng)品閘管和整流管的電流有效值二一alT = 2二d =0.46A

19、e.流經(jīng)續(xù)流二極管的平均電流2:Id。=/Id"267Af.流經(jīng)續(xù)流二極管的電流有效值ID = 1d = 0.462A晶閘管承受的最大反向電壓：戶31414V流過每個晶閘管的有效值:=60o1vt 二 F 二 0. 566A4.3建模4在MATLA新建一個Model,命名為bangkong2,同時模型建立如下圖所示:在此電路中，輸入電壓的電壓設置為 141.4V,頻率設置為50Hz,電阻阻值設 置為2.4歐姆,電感設置為2H,脈沖輸入的電壓設置為1V,周期設置為0.02 （與 輸入電壓一致周期），占空比設置為10%觸發(fā)角設置為60。因為兩個晶閘管在對 應時刻不斷地周期性交替導通，關斷

20、，所以脈沖出發(fā)周期應相差180°。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途a.交流電源參數(shù)19 / 18b.同步脈沖信號發(fā)生器參數(shù) Source Block Parjmeters; Pulse Generator! Source Block Parnneters-； Pulse 6enerator2C.負載電阻的參數(shù)4.4仿真結果二極管電壓圖64.5小結這次課程設計讓我明白了很多關于電力電子技術方面的知識，尤其是在課本中沒有完全介紹的。要完成這次課程設計，關靠書本知識是遠遠不夠的，所以我查閱了很多關于電力電子的書籍，并且也通過網(wǎng)絡查到了很多相關的知識，為這次課程設計做了很多幫助。資料個人收集整理，勿做商業(yè)用途對于課程設計的內容，首先要做的應是對設計內容的理論理解，在理論充分理解的基礎上，才能做好課程設計，才能設計出性能良好的